不同處理工藝對再生水化學(xué)穩(wěn)定性的影響研究*

許萍　魏智剛　張雅君　虞樂

（北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室　　北京100044）

不同處理工藝對再生水化學(xué)穩(wěn)定性的影響研究*

許萍魏智剛張雅君虞樂

（北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室北京100044）

圍繞工業(yè)循環(huán)冷卻水關(guān)注的化學(xué)穩(wěn)定性問題，分析了市政再生水廠進(jìn)水水質(zhì)及其穩(wěn)定性，對比了不同再生水處理工藝對主要化學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)的去除效果 ，并通過實例比較了混凝沉淀過濾、MBR、UF、RO工藝出水的化學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果表明：當(dāng)前常用工藝中 ，RO對硫酸鹽、氯化物、硬度、堿度、電導(dǎo)率的去除效果最好，去除率達(dá)90%以上；實際案例也證實，RO出水的硫酸鹽、氯化物、硬度、堿度、電導(dǎo)率含量最低，但RO出水離子配比失衡，導(dǎo)致pH值偏低，使得其生產(chǎn)的再生水腐蝕性傾向最為顯著。

市政再生水 處理工藝 化學(xué)穩(wěn)定性 污染物指標(biāo)

0　引言

2015年國務(wù)院發(fā)布的《水污染防治行動計劃》要求，到2020年，缺水城市再生水利用率應(yīng)達(dá)到20%以上，京津冀區(qū)域應(yīng)達(dá)到30%以上；工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域應(yīng)優(yōu)先使用再生水。工業(yè)用水中，循環(huán)冷卻用水占70%～80%，是國內(nèi)外應(yīng)用再生水的主要場所。目前，北京、天津等缺水城市已開展了市政再生水替代河湖水作為工業(yè)循環(huán)冷卻系統(tǒng)補充水源的生產(chǎn)實踐［1］，關(guān)于市政再生水與河湖水的水質(zhì)差異性及其對工業(yè)循環(huán)冷卻水管道腐蝕的影響也已有報道［2-5］。但是 ，受常規(guī)污水處理理念影響 ，市政再生水處理工藝也多以有機物和營養(yǎng)物質(zhì)去除為主要目標(biāo)，較少關(guān)注與工業(yè)利用有關(guān)的水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)。因此深刻認(rèn)識市政再生水處理工藝對水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的影響，對于確保市政再生水補水的工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。因此，本研究圍繞水質(zhì)穩(wěn)定性，選取北方某城市不同再生水廠為研究對象，通過調(diào)查和實驗分析，對比研究了不同污水源下再生水廠進(jìn)水水質(zhì)及其化學(xué)穩(wěn)定性、不同再生水處理工藝對主要水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定指標(biāo)的去除效果、不同處理工藝下再生水廠出水水質(zhì)及其化學(xué)穩(wěn)定性，旨在為市政再生水補水的工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供技術(shù)支持。

1　實驗材料與方法

1.1測試水樣與測試指標(biāo)

測試水樣取自北方某城市的4所市政再生水廠或其配水管網(wǎng)。其中有3座再生水廠毗鄰生活區(qū)，污水源以生活污水為主；另外1座再生水廠位于工業(yè)園區(qū)，污水源中所含的工業(yè)廢水比例較高。

主要圍繞化學(xué)穩(wěn)定性，選取與之相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)為研究對象，參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》，按照國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行分析。水質(zhì)指標(biāo)與分析方法見表1。

表1　水質(zhì)指標(biāo)與分析方法

1.2化學(xué)穩(wěn)定性判別方法

化學(xué)穩(wěn)定性主要有兩類判別方法，一類由水-碳酸鹽系統(tǒng)分析得來，如Langelier飽和指數(shù)、Ryznar穩(wěn)定指數(shù)、Feitler臨界指數(shù)等；另一類是基于其他水質(zhì)參數(shù)的判別方法，如Riddick腐蝕指數(shù)、Larson指數(shù)等。

本研究采用Langelier飽和指數(shù)、Ryznar穩(wěn)定指數(shù)、Feitler臨界指數(shù)和應(yīng)用指數(shù)4種方法判別測試水樣的水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性，詳見表2［6-8］。

表2　化學(xué)穩(wěn)定性判別方法

表2中，pHs為碳酸鈣飽和pH值，計算公式如下：

式中，A為總?cè)芙夤腆w系數(shù)；B為溫度系數(shù)；C為鈣硬系數(shù)，等于lgCa；D為堿度系數(shù)，等于lgM。

2　再生水廠進(jìn)水化學(xué)穩(wěn)定性研究

2.1再生水廠進(jìn)水水質(zhì)分析

不同污水源下的再生水廠進(jìn)水水質(zhì)見表3。

表3　不同污水源下的再生水廠進(jìn)水水質(zhì)

根據(jù)表3可知，與以生活污水為主要水源相比，當(dāng)以工業(yè)廢水為水源時，再生水廠進(jìn)水中的硫酸鹽、氯離子平均濃度分別是前者的3.3倍和2.8倍；總磷和氨氮平均濃度分別是前者的1.9倍和1.3倍；但與之形成鮮明對比的是，異養(yǎng)菌總數(shù)和總大腸菌群顯著較低，其中異養(yǎng)菌總數(shù)平均值較前者低了一個數(shù)量級，總大腸菌群數(shù)也僅為前者的1/10～1/5。

Cl-、NH+4和SO2-4是典型的腐蝕性離子，其含量較高說明，當(dāng)污水源以工業(yè)廢水為主時，再生水廠進(jìn)水水質(zhì)的腐蝕性傾向?qū)⒓觿。粸樘岣叱鏊|(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性，在處理工藝上應(yīng)選擇能有效去除這些離子的工藝。與之不同的是，當(dāng)污水源以生活污水為主時，再生水廠進(jìn)水中的微生物含量較高 ，在處理過程中，更應(yīng)強化消毒工藝。

2.2再生水廠進(jìn)水水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性

不同污水源下再生水廠進(jìn)水水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性見圖1。

圖1　不同污水源下再生水廠進(jìn)水水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性對比

根據(jù)圖1和表2可知，從Langelier飽和指數(shù)、Ryznar穩(wěn)定指數(shù)、Feitler臨界指數(shù)和應(yīng)用指數(shù)來看，無論污水源為生活污水還是工業(yè)污水，再生水廠的進(jìn)水水質(zhì)都略具腐蝕性或處于平衡狀態(tài)。但采用工業(yè)廢水為水源時，4種指數(shù)的絕對數(shù)值均高于生活污水。這說明采用工業(yè)污水為水源的再生水廠，其進(jìn)水水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性更差 ，更偏向于腐蝕性。該結(jié)論與2.1節(jié)中的進(jìn)水水質(zhì)成分分析結(jié)果一致。

3　不同工藝對主要化學(xué)穩(wěn)定指標(biāo)的處理效果比較

目前，國內(nèi)已建再生水廠多借鑒傳統(tǒng)凈水方法，采用混凝、沉淀和過濾工藝；隨著膜技術(shù)的發(fā)展，不少發(fā)達(dá)地區(qū)再生水廠開始推行膜處理工藝，如微濾（MF）、超濾（UF）、膜生物反應(yīng)器（MBR）、反滲透（RO）等技術(shù)［9-10］。上述工藝的去除機理及其主要去除對象如表4所示［11-16］。

表4　不同工藝對無機離子的去除比較

結(jié)合以上資料，實際調(diào)研北方某城市分別采用MBR、UF、RO工藝的3座再生水處理廠，上述工藝對主要化學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)的去除效果如表5所示。

表5　MBR、UF、RO工藝對主要化學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)的去除效果%

根據(jù)表4和表5可知，3種工藝對主要化學(xué)穩(wěn)定性指標(biāo)的去除效果從高到低依次為：RO、MBR和UF。除氨氮外，RO工藝對硫酸根、氯化物、總磷、硬度、堿度、電導(dǎo)率等的去除率均達(dá)到90%以上；MBR工藝對總磷和氨氮的去除效果均在95%以上，對堿度和電導(dǎo)率的去除率也達(dá)50%～70%，但對硬度的去除率僅為2%，且基本不能去除硫酸鹽和氯化物；除了對總磷的去除率達(dá)60%以上外，UF對硬度、堿度的去除作用微小，也基本不能去除硫酸鹽和氯化物。但是，傳統(tǒng)工藝混凝沉淀過濾工藝根據(jù)污染物去除機理，存在可以去除硫酸根和氯離子的潛力，可以通過改良混凝劑或助凝劑，使其帶入與硫酸根或氯離子形成沉淀的離子，從而去除硫酸根或氯離子。例如氯離子的去除可以在水中投加石灰的同時投加鋁鹽，使水溶液中的氯離子以Ca-Al-Cl-OH沉淀形式析出而去除，這樣可以在不影響混凝沉淀效果的基礎(chǔ)上去除氯離子［17-18］。因此適當(dāng)改變混凝劑的成分可以使混凝沉淀過濾工藝具有去除硫酸根和氯離子的功能。

4　不同工藝下出水水質(zhì)穩(wěn)定性案例分析

4.1不同工藝下再生水廠出水水質(zhì)對比

不同處理工藝的出水水質(zhì)測試結(jié)果見表6。

表6　不同處理工藝的出水水質(zhì)對比

根據(jù)表4可知，4種工藝的出水水質(zhì)均滿足再生水標(biāo)準(zhǔn)1的要求，除總堿度外基本滿足再生水標(biāo)準(zhǔn)2的要求。對比4種工藝出水水質(zhì)，RO工藝出水水質(zhì)最好，但pH偏低，腐蝕傾向更明顯，這可能是由于各種物質(zhì)的去除影響了水中離子平衡關(guān)系引起的。本結(jié)論中關(guān)于有機物和營養(yǎng)物質(zhì)的研究結(jié)果與馮運玲等人的研究結(jié)果一致［9］。

UF、MBR工藝的水樣由于取自消毒前，因而水中異養(yǎng)菌總數(shù)較再生水標(biāo)準(zhǔn)2高出30～50倍，說明為保證再生水廠出廠水質(zhì)的穩(wěn)定性，后續(xù)的消毒工藝至關(guān)重要。此外，混凝沉淀過濾工藝再生水廠配水管網(wǎng)末端的異養(yǎng)菌總數(shù)高達(dá)6 500 CUF/mL，也說明在配水管網(wǎng)中出現(xiàn)了微生物再生長的現(xiàn)象，其對工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)黏泥和微生物腐蝕問題的影響也不容忽視。

4.2不同工藝下再生水廠出水水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性對比

不同處理工藝的出水水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性對比見圖2。根據(jù)圖2和表2可知，比較Langelier飽和指數(shù)、Ryznar穩(wěn)定指數(shù)判別標(biāo)準(zhǔn)可知，4種工藝的出水均具有腐蝕傾向；比較Feitler臨界指數(shù)、應(yīng)用指數(shù)可知，混凝沉淀工藝的出水處于介穩(wěn)或平衡區(qū) ，而另外3種工藝的出水均具有腐蝕性；4種判別方法下，按照出水化學(xué)穩(wěn)定性從高到低，4種工藝的排列順序均依次為混凝沉淀過濾、MBR、UF、RO，其中膜工藝出水腐蝕性明顯高于混凝沉淀工藝，特別是RO工藝出水的腐蝕性明顯高于其他膜工藝。這可能是由于膜工藝去除污染物質(zhì)后，使得水中離子配比發(fā)生較大改變，使得其離子配比更趨于腐蝕性。結(jié)合表6中4種處理工藝出水具有較高硫酸根和氯離子的特點，分析4種工藝出水的拉森指數(shù)可知，混凝沉淀、MBR、RO工藝出水的拉森指數(shù)均大于1，UF工藝出水的拉森指數(shù)接近1，同樣說明出水具有腐蝕性，特別是RO工藝出水的拉森指數(shù)達(dá)到4以上，說明其腐蝕性傾向很強烈，同時說明離子配比會影響出水的腐蝕性。

圖2　不同處理工藝的出水水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性對比

綜上所述，相較于混凝沉淀過濾工藝，膜工藝的出水更偏向于腐蝕，特別是RO工藝，其出水的腐蝕性最強。所以在使用膜處理工藝時，雖然其處理效果要好于傳統(tǒng)工藝，但應(yīng)注意其出水的腐蝕傾向及其離子配比對工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的影響。

5　結(jié)論

通過調(diào)研和水質(zhì)測試分析，開展了污水源和處理工藝對市政再生水廠水質(zhì)穩(wěn)定性的影響研究，主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)及其化學(xué)穩(wěn)定性指數(shù)可知 ，污水源為生活污水或工業(yè)污水時，再生水廠進(jìn)水水質(zhì)均略具腐蝕性；但是與生活污水相比，當(dāng)工業(yè)廢水為污水源時，再生水廠進(jìn)水中的硫酸鹽、氯離子、總磷和氨氮含量分別是前者的1.3～3.3倍，其水質(zhì)的腐蝕性傾向更為明顯，說明處理工藝應(yīng)強化離子的去除。

（2）與工業(yè)廢水相比，當(dāng)采用生活污水為污水源時，再生水廠進(jìn)水中的異養(yǎng)菌總數(shù)較前者高一個數(shù)量級，總大腸菌群也為前者的5～10倍，說明后續(xù)處理工藝應(yīng)強化消毒。

（3）根據(jù)出水水質(zhì)指標(biāo)可知，當(dāng)分別采用四種工藝作為主要處理工藝時，絕大部分水質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于目前國家再生水標(biāo)準(zhǔn)的要求，但RO工藝的pH值偏低，混凝沉淀過濾、MBR、UF工藝對堿度和微生物指標(biāo)的處理效果不佳。

（4）與傳統(tǒng)的混凝沉淀過濾工藝相比，膜工藝出水更偏向于腐蝕，特別是RO工藝，雖然其對污染物去除效果最優(yōu)，出水水質(zhì)最好，但出水的腐蝕性卻最強。因此應(yīng)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)及其處理工藝特點選擇工藝，特別是選擇膜工藝時，應(yīng)考慮離子配比對水質(zhì)穩(wěn)定性的影響。

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Study on the Influences of Different Processing Technologies on Reclaimed Water Chemical Stability

XU Ping WEI Zhigang ZHANG Yajun YU Le
（Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment，Ministry of Education，Beijing University of Civil Engineering and Architecture Beijing 100044）

Based on the chemical stability paid attention to by the industrial circulating cooling water system，inlet water and its stability ofmunicipal reclaimed water plant is analyzed，the removal effects of different regeneration proceses are described and through the cases，the influences of the coagulation sedimentation filtration，MBR，UF and RO process on the actual stability of the effluentwater are compared.The results show that the RO process has the best removal effecton sulfate，chloride，hardness，alkalinity and electricalconductivity and the removalrate reaches above 90%.The actualcase also confirms that the sulfate，chloride，hardness，alkalinity，water conductivity contenton effluentwaterof RO process is the lowest，butthe ion ratio on effluentwater of RO process is imbalance，which leads to low pHvalue and makes the recycled water corrosion tend to be the most significant.

municipal reclaimed water treatment process chemical stability pollutant index

國家自然科學(xué)基金（51578035），北京建筑大學(xué)基金項目（00331615008），城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室項目（PXM2014 014210 000057）。

許萍，女，博士，副教授，研究方向為水回用與節(jié)水技術(shù)。

（2016-01-10）